高爐長壽和環(huán)保低碳技術(shù)的設(shè)計(jì)應(yīng)用

趙艷霞

（中冶京誠工程技術(shù)有限公司，北京 100176）

0.引言

河北唐山地區(qū)某新建2300m3高爐，是以高爐長壽、節(jié)能減排和循環(huán)經(jīng)濟(jì)為設(shè)計(jì)理念設(shè)計(jì)的新一代大型高爐。在高爐設(shè)計(jì)中，立足高起點(diǎn)、高水平，充分考慮了中國鋼鐵工業(yè)近年來的發(fā)展?fàn)顩r對(duì)高爐技術(shù)的最新要求，以“成熟、可靠、先進(jìn)、實(shí)用、安全、環(huán)?！睘樵瓌t，在高爐設(shè)計(jì)中采用了有針對(duì)性的技術(shù)創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)了高爐長壽和環(huán)保低碳，技術(shù)指標(biāo)達(dá)到同級(jí)別高爐先進(jìn)水平。

1.精料和小塊焦回收技術(shù)

精料是高爐實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)、低耗、優(yōu)質(zhì)的重要基礎(chǔ)。本高爐采用優(yōu)質(zhì)的入爐原料，入爐結(jié)構(gòu)為燒結(jié)礦：球團(tuán)礦：塊礦=85%：7%：8%，入爐礦石綜合含鐵品位≥59%。

1.1 槽下分散篩分、分散稱量

1#、2#兩座高爐的礦槽和焦槽并列共柱合建布置，3#、4#兩座高爐的礦槽和焦槽并列共柱合建布置。兩座高爐槽下新建燒結(jié)礦槽10個(gè)、球團(tuán)礦槽4個(gè)、塊礦槽4個(gè)、雜礦槽4個(gè)和焦炭槽10個(gè)。礦石和焦炭在槽下均采用分散篩分，分散稱量，篩分后由各自的供料皮帶經(jīng)過上料主皮帶轉(zhuǎn)運(yùn)至爐頂。

1.2 小塊焦回收利用

焦槽下方設(shè)有手動(dòng)閘門、振動(dòng)給料機(jī)和振動(dòng)篩，焦炭經(jīng)過篩分后，≥25mm的焦炭裝入焦炭分散稱量斗，然后逐個(gè)打開稱量斗閘門，焦炭經(jīng)過槽下皮帶和上料主皮帶轉(zhuǎn)運(yùn)至爐頂料罐。＜25mm的篩下的碎焦經(jīng)過碎焦運(yùn)輸皮帶運(yùn)送至碎焦篩分樓，其中10mm～25mm的合格的焦丁貯存在焦丁倉中，按程序要求稱量后與礦石混裝入爐。

設(shè)置小塊焦回收利用設(shè)施，回收10mm～25mm小塊焦與礦石按比例混裝入爐。本設(shè)計(jì)小塊焦的加入量約為30kg/tFe。

該工藝流程實(shí)現(xiàn)了資源利用最大化，為提高生產(chǎn)效率、降低原燃料消耗、保證高爐的穩(wěn)定生產(chǎn)創(chuàng)造條件。

2.PW二代半爐頂和均壓煤氣回收技術(shù)

2.1 PW二代半爐頂技術(shù)

爐頂上料采用串罐無料鐘爐頂設(shè)備，料罐有效容積65m3。該爐頂設(shè)備可以采用多種方式布料及爐頂壓力0.25MPa的高壓操作，以利于提高煤氣利用率，改善料柱透氣性，從而延長高爐爐襯壽命。水冷傳動(dòng)齒輪箱是無料鐘爐頂?shù)暮诵脑O(shè)備，本設(shè)計(jì)采用PW二代半技術(shù)，該結(jié)構(gòu)的水冷齒輪箱為密閉加壓水冷結(jié)構(gòu)，冷卻循環(huán)無須維護(hù)（無須清潔水槽和冷卻板酸洗），大大降低了氮?dú)夂脱a(bǔ)充水消耗，延長傾動(dòng)齒輪的壽命。氮?dú)庀牧恳笤?000Nm3以下。冷卻水量和氮?dú)庥昧勘葌鹘y(tǒng)的齒輪箱大大降低，真正做到了節(jié)能降耗。

2.2 均壓煤氣回收技術(shù)

高爐生產(chǎn)中，爐頂裝料設(shè)備向爐內(nèi)裝料時(shí)，料罐中的均壓煤氣通常都是直接對(duì)空排放的，這部分放散煤氣的主要成分是CO、CO2、N2和灰塵。料罐排壓放散次數(shù)一天大約288～336次，含塵量10g/Nm3以上，放散量與料罐容積和爐頂壓力有關(guān)。料罐排壓放散時(shí)產(chǎn)生噪音和粉塵污染，不但對(duì)大氣環(huán)境直接造成污染，而且也浪費(fèi)了能源[1]。本高爐為滿足環(huán)保要求，減輕環(huán)境污染，實(shí)現(xiàn)超低排放，采用了中冶京誠自主創(chuàng)新的爐頂均壓煤氣回收技術(shù)。

高爐爐頂均壓煤氣回收技術(shù)是利用中冶京誠專利技術(shù)的“氣體上進(jìn)上出”式均壓煤氣回收除塵器，作為高爐料罐排壓放散煤氣的緩沖、凈化回收裝置，對(duì)高爐爐頂裝料過程中向大氣排放的含塵煤氣進(jìn)行凈化回收處理。該方案采用了除塵器筒體內(nèi)徑為6000mm。均壓煤氣回收系統(tǒng)流程圖如圖1所示。

圖1 爐頂均壓煤氣回收系統(tǒng)流程圖

由圖1可以看出，經(jīng)過爐頂小旋風(fēng)除塵器一次除塵后的受料罐放散煤氣，通過均壓煤氣管路進(jìn)入均壓煤氣用除塵器，再經(jīng)過除塵器進(jìn)行二次除塵后進(jìn)入濾袋區(qū)域進(jìn)行精除塵，除塵后的煤氣接入凈煤氣管網(wǎng)。均壓煤氣的控制模式可以按照時(shí)間模式或壓力模式進(jìn)行控制，當(dāng)自然回收過程達(dá)到設(shè)定時(shí)間或達(dá)到設(shè)定料罐壓力后，煤氣回收閥關(guān)閉，將料罐內(nèi)剩余的少量煤氣正常放散，自然回收過程結(jié)束。煤氣回收干式布袋除塵器布置在現(xiàn)有布袋除塵備用倉位置附近，占地面積小，布置緊湊、美觀。

該自然回收過程運(yùn)行情況穩(wěn)定良好，實(shí)際回收時(shí)間與理論計(jì)算值吻合，由于回收時(shí)間短，對(duì)爐頂裝料作業(yè)率幾乎沒有影響?；厥盏木鶋好簹鈱?duì)凈煤氣管網(wǎng)壓力無沖擊。經(jīng)測(cè)算，該回收過程煤氣回收量占煤氣放散量的85%以上，噸鐵煤氣回收量達(dá)到了8.6Nm3/tFe，年減少粉塵排放量為225t/年，年減少能源消耗為1965t/年，年減少直接碳排放量為9270t/年，回收煤氣用于發(fā)電的經(jīng)濟(jì)效益為337萬元/年。由此看出，該專利技術(shù)的使用，不僅減輕環(huán)境污染，實(shí)現(xiàn)超低排放，還可取得較好的經(jīng)濟(jì)效益。

本設(shè)計(jì)現(xiàn)采用的回收工藝為自然回收工藝，由于自然回收過程仍有少量的煤氣需要二次放散，在鋼鐵行業(yè)節(jié)能減排的環(huán)保政策日益嚴(yán)苛的情況下，后續(xù)生產(chǎn)還可以考慮在自然回收系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過在爐頂增加引射器、引射閥及相關(guān)閥門和管路等配套設(shè)施，實(shí)現(xiàn)高爐均壓放散煤氣的全回收。即通過引射器將料罐內(nèi)剩余低壓煤氣強(qiáng)制回收進(jìn)入管網(wǎng)，引射工作氣體采用一次均壓用凈煤氣，當(dāng)料罐內(nèi)壓力降至微正壓時(shí)，直接打開上密和上料閘進(jìn)行裝料，避免煤氣二次放散。均壓煤氣引射全回收系統(tǒng)流程圖見圖2。

圖2 均壓煤氣引射全回收系統(tǒng)流程圖

若在自然回收系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增設(shè)均壓煤氣全回收設(shè)施，經(jīng)過理論計(jì)算，與自然回收工藝相比較，該全回收過程煤氣回收量達(dá)到98.8%以上，噸鐵煤氣回收量較自然回收增加1.5Nm3/tFe，年減少粉塵排放量增加為40t/年，年減少能源消耗增加346t/年，年減少直接碳排放量增加1633t/年，回收煤氣用于發(fā)電的經(jīng)濟(jì)效益增加59萬元/年。由以上數(shù)據(jù)可以看出，增設(shè)均壓煤氣全回收設(shè)施對(duì)于減排增效有著重要的意義。

該均壓煤氣回收工藝操作簡單、控制靈活，可設(shè)置為3種控制模式：常規(guī)均排壓、全回收和自然回收，在主控畫面可以根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況進(jìn)行自主切換。當(dāng)采用自然回收模式時(shí)，將系統(tǒng)切換至均壓放散煤氣回收相應(yīng)通道，通過該控制閥組的開關(guān)時(shí)間（或壓差）工作模式設(shè)定，對(duì)料罐均壓放散煤氣進(jìn)行部分回收，料罐內(nèi)殘余煤氣則直接通過放散管道排空。當(dāng)選擇全回收模式時(shí)，打開相應(yīng)控制閥門，進(jìn)行均壓放散煤氣全回收模式，即避免均壓放散煤氣二次放散，實(shí)現(xiàn)零排放。當(dāng)因高爐需要停止均壓放散煤氣回收工藝時(shí)，系統(tǒng)將切斷均壓放散煤氣流程，不能影響高爐正常生產(chǎn)。

3.高爐長壽技術(shù)

高爐長壽是新一代大型高爐的設(shè)計(jì)要求和設(shè)計(jì)理念，而延長高爐壽命是一項(xiàng)綜合技術(shù)。本設(shè)計(jì)在選擇合理的高爐內(nèi)型及冷卻結(jié)構(gòu)、采用優(yōu)質(zhì)的耐火材料、配置高效的冷卻系統(tǒng)以及全面的爐體檢測(cè)技術(shù)等方面進(jìn)行了深入研究。

3.1 合理的高爐內(nèi)型

矮胖型高爐降低了料柱高度，原燃料在下降過程中內(nèi)摩擦力以及爐墻與爐料間摩擦力相對(duì)減小，高爐料柱阻損降低，透氣性改善，有利于強(qiáng)化冶煉[2]。本高爐的爐型設(shè)計(jì)上選擇了適宜的Hu/D值，適當(dāng)加大爐腰直徑，Hu/D值降低，是適當(dāng)矮胖的爐型。高爐的爐腹角和爐身角對(duì)高爐強(qiáng)化冶煉和高爐長壽至關(guān)重要，通過總結(jié)比較，確定設(shè)計(jì)爐腹角為77.560°，爐身角為82.395°。適宜的死鐵層深度可以減輕由于鐵水在爐缸的環(huán)流產(chǎn)生的對(duì)爐缸耐火材料的沖刷，起到保護(hù)爐底、延長高爐爐底壽命的作用。本高爐設(shè)計(jì)選取死鐵層深度占爐缸直徑的比值為21.2%。

3.2 優(yōu)質(zhì)的爐缸爐底耐材結(jié)構(gòu)

爐缸爐底侵蝕機(jī)理主要為鐵水環(huán)流，渣鐵化學(xué)侵蝕，鐵水、鉛、鋅及堿金屬對(duì)炭磚的滲透脆化，熱應(yīng)力破壞[3]等。采用水冷爐底結(jié)構(gòu)和優(yōu)質(zhì)炭磚加低導(dǎo)熱、抗鐵水侵蝕能力強(qiáng)的優(yōu)質(zhì)剛玉質(zhì)陶瓷杯材料，可以將1150℃鐵水凝固線控制在陶瓷杯以內(nèi)，有效地保護(hù)炭磚，從而延長爐底爐缸的壽命。

本設(shè)計(jì)中爐底采用水冷形式，冷卻水管布置在爐底封板以下，耐材結(jié)構(gòu)為高導(dǎo)熱的大塊炭磚結(jié)合抵抗熱應(yīng)力強(qiáng)的“隔熱”大塊剛玉質(zhì)陶瓷杯結(jié)構(gòu)，爐缸爐底具體配置見圖3。即水冷爐底封板上砌筑1層國產(chǎn)大塊超高導(dǎo)石墨炭塊，其上依次砌筑2層國產(chǎn)大塊微孔炭塊和1層進(jìn)口SGL大塊超微孔炭磚9RDN，爐底炭磚總厚度～2000mm。鐵口及以下容易出現(xiàn)異常侵蝕的爐缸區(qū)域環(huán)砌進(jìn)口SGL大塊超微孔炭磚9RDN；爐底滿鋪炭磚上面砌筑大塊剛玉質(zhì)陶瓷墊，厚度為800mm，爐缸炭磚內(nèi)側(cè)砌筑大塊剛玉質(zhì)陶瓷杯。

圖3 爐缸爐底耐材結(jié)構(gòu)

通過對(duì)爐底爐缸溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬計(jì)算，結(jié)果見圖4，從圖中可以看出1150℃鐵水凝固線控制在陶瓷杯耐材以內(nèi)，800℃和600℃的等溫線也控制在陶瓷杯以內(nèi)，說明該爐底爐缸結(jié)構(gòu)，炭磚工作的溫度區(qū)間可以控制在600℃以下，熱面容易較早地形成渣鐵凝結(jié)層，使?fàn)t缸爐底內(nèi)襯與熾熱的鐵水隔離開，有效地保護(hù)炭磚，從而延長爐底爐缸耐材的壽命。

圖4 爐缸爐底溫度場(chǎng)等溫線分布

風(fēng)口區(qū)域組合磚采用Si3N4-SiC材質(zhì)，與剛玉磚比較，其具有較好的抗熱震性，可以防止?fàn)t料中鋅和堿金屬等有害元素的破壞作用。風(fēng)口組合磚下部采用密封技術(shù)，鋪設(shè)銅密封板，一方面防止有害元素（如鋅、堿金屬等）對(duì)炭磚的侵蝕；另一方面防止風(fēng)口漏水對(duì)炭磚和炭素?fù)v料的破壞。

在投產(chǎn)后有些高爐出現(xiàn)竄煤氣通道，煤氣與堿金屬會(huì)對(duì)炭磚和冷卻壁造成破壞，從而嚴(yán)重影響高爐壽命?？梢?，冷卻壁與爐殼之間的耐火材料選擇尤為重要。本高爐設(shè)計(jì)通過反復(fù)比較和對(duì)某些大高爐成功應(yīng)用的調(diào)研，選用了自流澆注料代替常規(guī)的無水壓入泥漿，達(dá)到了預(yù)想效果。

3.3 合理的爐體冷卻結(jié)構(gòu)

本設(shè)計(jì)采用全冷卻壁結(jié)構(gòu)，爐底爐缸部位采用光面灰鑄鐵冷卻壁，共分為5段（含風(fēng)口段），材質(zhì)為HT150；爐腹、爐腰及爐身下部關(guān)鍵部位采用了導(dǎo)熱性好、易快速形成渣皮的銅冷卻壁，共分為4段；爐身中上部采用鑲磚球墨鑄鐵冷卻壁，共分為6段，材質(zhì)QT400-20。爐喉鋼磚采用一段式水冷結(jié)構(gòu)，材質(zhì)為鑄鋼。高爐實(shí)現(xiàn)100%水冷。

爐腹、爐腰及爐身下部是制約高爐長壽的關(guān)鍵因素，其冷卻設(shè)備材質(zhì)及結(jié)構(gòu)的選取尤為重要。本設(shè)計(jì)采用4段帶復(fù)合孔的銅冷卻壁，壁體厚度115mm，燕尾槽內(nèi)冷鑲Si3N4-SiC磚。爐腹銅冷卻壁與風(fēng)口冷卻壁的過渡銜接直接影響該部位的壽命，本設(shè)計(jì)中爐腹區(qū)域銅冷卻壁的安裝角度略大于設(shè)計(jì)爐腹角，銅冷卻壁背部采用凸臺(tái)結(jié)構(gòu)，如圖5所示。這種形式可以使風(fēng)口冷卻壁和銅冷卻壁遠(yuǎn)離回旋區(qū)，保證了風(fēng)口組合磚的厚度，防止該部位出現(xiàn)安全隱患。

圖5 銅冷卻壁和風(fēng)口鑄鐵冷卻壁銜接

3.4 軟水密閉循環(huán)冷卻系統(tǒng)

高爐軟水密閉循環(huán)冷卻系統(tǒng)具有冷卻效率高、水量消耗少、無腐蝕、不結(jié)垢、無污染等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)高爐長壽提供可靠的保證。

本設(shè)計(jì)軟水密閉循環(huán)冷卻系統(tǒng)中用的軟水由高爐軟水泵站送至高爐爐底，共分為3部分：（1）供爐底及風(fēng)口大套冷卻，爐底水冷管排水與風(fēng)口大套串聯(lián)冷卻，富裕的冷卻水由旁通管排入回水總管中；（2）供高爐冷卻壁冷卻，冷卻壁水管采用豎向一串到頂?shù)拇臃绞竭B接，同時(shí)采用分區(qū)冷卻，將水管分為4個(gè)區(qū)域，便于檢漏；（3）供風(fēng)口中套冷卻。以上3部分冷卻水最終全部匯合至軟水回水總管，回水經(jīng)過脫氣和穩(wěn)壓裝置后排至高爐軟水泵房，經(jīng)過二次冷卻后再循環(huán)使用。

為了保證高爐冷卻水均勻冷卻，本設(shè)計(jì)聯(lián)管采用了等阻損方案，合理配置各段冷卻壁不同數(shù)量水管間的連接方式，使圓周方向每根支管的總阻損基本相同，從而達(dá)到冷卻水均勻分配，。

3.5 完善的爐體檢測(cè)手段

為保證高爐的運(yùn)行安全，提高爐襯破損狀況的可預(yù)測(cè)性，設(shè)置完善的檢測(cè)裝置尤為重要。本設(shè)計(jì)中設(shè)置了常規(guī)熱電偶用以檢測(cè)和推斷爐底爐缸及冷卻壁損壞情況；在高爐軟水密閉循環(huán)冷卻系統(tǒng)中，設(shè)置了完善的溫度、壓力、流量、液位的檢測(cè)，保障冷卻系統(tǒng)安全運(yùn)行。除此以外，還采用了鐵口區(qū)爐殼測(cè)溫、爐頂紅外攝像儀、爐身靜壓裝置、爐頂熱成像儀、風(fēng)口攝像儀、高爐爐底爐缸侵蝕模型、高爐冷卻水溫差和熱負(fù)荷模型等一系列先進(jìn)的檢測(cè)技術(shù)，為高爐長壽起到支撐保障作用。

4.高風(fēng)溫、富氧噴煤技術(shù)

本設(shè)計(jì)為在單一高爐煤氣條件下實(shí)現(xiàn)1250℃的風(fēng)溫，每座高爐配置3座旋切頂燃式熱風(fēng)爐。采用高混合性能燃燒器，孔徑為Φ25mm的19孔新型高效格子磚，支柱加橫梁支撐結(jié)構(gòu)爐箅子。為了提高熱風(fēng)爐的熱效率，減少富化煤氣用量，采用換熱效率高的板式換熱器，利用煙氣余熱，將助燃空氣和混合煤氣溫度預(yù)熱到200℃。

在獲得高風(fēng)溫的基礎(chǔ)上，通過全廠能源平衡，選擇AV80-15電動(dòng)全靜葉可調(diào)軸流鼓風(fēng)機(jī)，鼓風(fēng)富氧3.5%，噴煤比為160kg/tHM，采用一分二總管加分配器的直接噴吹方式，煤粉制備用干燥劑由高爐熱風(fēng)爐廢氣與高溫?zé)煔饣旌隙伞?/p>

5.煤氣干法除塵和TRT技術(shù)

本設(shè)計(jì)采用重力除塵器+長袋低壓脈沖干法除塵工藝。爐頂煤氣發(fā)生量為540000Nm3/h，凈化后含塵量≤5mg/m3的精制煤氣經(jīng)TRT系統(tǒng)或凈煤氣減壓閥組后壓力降至～10kPa送至凈煤氣總管。干法布袋工藝節(jié)省了濕式煤氣清洗系統(tǒng)的水量消耗和污泥處理，同時(shí)有利于提高煤氣的物理熱，提高TRT電能回收量和熱風(fēng)爐燃燒溫度。TRT采用干式軸流、兩段反動(dòng)式透平型式，發(fā)電機(jī)裝機(jī)容量為20000kW。

6.環(huán)保除塵技術(shù)

本設(shè)計(jì)礦槽及爐前均采用布袋除塵工藝，凈化效率高，不受粉塵比電阻影響。

每座高爐槽上槽下合并設(shè)1套除塵系統(tǒng)，在供礦、返礦皮帶處設(shè)密閉罩密封。槽上除塵系統(tǒng)采用抽風(fēng)槽除塵方式。槽下供料系統(tǒng)灰塵較大，為改善槽下操作環(huán)境，確保抽塵效果，采用環(huán)保篩，密封效果較好。對(duì)礦槽、焦槽槽下下料稱量及給料系統(tǒng)等部分產(chǎn)塵點(diǎn)采取密閉罩進(jìn)行抽風(fēng)，礦槽除塵風(fēng)量700000m3/h。

每座高爐出鐵場(chǎng)均設(shè)置除塵系統(tǒng)，除塵器采用低壓長袋脈沖布袋除塵器，爐頂除塵的管道直接接入出鐵場(chǎng)除塵系統(tǒng)，不另設(shè)獨(dú)立系統(tǒng)。出鐵口除塵采用頂吸加側(cè)吸方式，在風(fēng)口平臺(tái)端部設(shè)置頂吸除塵罩，在出鐵口兩端設(shè)置頂部聯(lián)通的側(cè)吸除塵罩，為了加強(qiáng)攏煙效果，頂吸罩盡量做大，在側(cè)面設(shè)便于拆卸的擋煙鋼板。除塵系統(tǒng)按3個(gè)出鐵口管路設(shè)置電動(dòng)閥，通過爐前控制，根據(jù)出鐵情況進(jìn)行切換。每座高爐設(shè)置兩套除塵器，風(fēng)量各為950000m3/h。

7.結(jié)語

本高爐以工藝流程為主線，以高爐長壽、節(jié)能減排和循環(huán)經(jīng)濟(jì)為設(shè)計(jì)理念，采用了精料和焦丁回收、PW二代半爐頂設(shè)備、均壓煤氣回收工藝、高爐長壽、高風(fēng)溫富氧噴煤、煤氣干法除塵和TRT、環(huán)保除塵等一系列節(jié)能降耗的技術(shù)創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)了高爐長壽和環(huán)保低碳，技術(shù)指標(biāo)達(dá)到同級(jí)別高爐先進(jìn)水平。